數(shù)字電路 門電路講解

1、第第3章章 門電路門電路 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) Digital Electronics Technology 1.門電路門電路是用以實(shí)現(xiàn)邏輯關(guān)系的電子電路。 常用門電路：與門、或門、非門、與非門、或非 門、與或非門、異或門等 二極管門電路二極管門電路 三極管門電路三極管門電路 TTL門電路門電路 MOS門電路門電路PMOS門門 CMOS門門 邏輯門電路邏輯門電路 分立門電路分立門電路 集成門電路集成門電路 NMOS門門 3.1 概述概述 獲得高、低電平的基本原理獲得高、低電平的基本原理 S斷開，輸出斷開，輸出v0=Vcc S閉合，輸出閉合，輸出v0=0 門電路是以高門電路是以高/低電平來表

2、示邏輯值低電平來表示邏輯值1/0 實(shí)際開關(guān)為晶體二極實(shí)際開關(guān)為晶體二極 管、三極管以及場效管、三極管以及場效 應(yīng)管等電子器件應(yīng)管等電子器件 3.1 概述概述 2. 高低電平高低電平 n 高電平：高電平：數(shù)字電路中較高電平代數(shù)值的范圍。數(shù)字電路中較高電平代數(shù)值的范圍。 n 低電平：低電平：數(shù)字電路中較低電平代數(shù)值的范圍。數(shù)字電路中較低電平代數(shù)值的范圍。 3.1 概述概述 3. 正負(fù)邏輯正負(fù)邏輯 n 正邏輯：正邏輯：用高電平代表用高電平代表1、低電平代表、低電平代表0。在數(shù)字電路。在數(shù)字電路 中，一般采用正邏輯系統(tǒng)。中，一般采用正邏輯系統(tǒng)。 n 負(fù)邏輯：負(fù)邏輯：用高電平代表用高電平代表0、低點(diǎn)平代

3、表、低點(diǎn)平代表1。 t v VH VL Positive Logic 1 0 v VH VL1 0 Negative Logic t 4. 集成電路集成電路 n IC（Integrated Circuits）：）：將元器件制作在同一硅片上，以將元器件制作在同一硅片上，以 實(shí)現(xiàn)電路的某些功能。實(shí)現(xiàn)電路的某些功能。 n SSI（Small-Scale Integration）：）： 10個(gè)門電路。個(gè)門電路。 n MSI（Medium-Scale Integration）：）：10100個(gè)門電路。個(gè)門電路。 n LSI（Large-Scale Integration）：）：100010000個(gè)門電路

4、。個(gè)門電路。 n VLSI（Very Large-Scale Integration）：）： 10000個(gè)門電路。個(gè)門電路。 3.1 概述概述 根據(jù)所使用半導(dǎo)體器件不同分為：根據(jù)所使用半導(dǎo)體器件不同分為： nTTLTTL電路電路:晶體管-晶體管邏輯電路（Transister-Transister- Logic ） nMOSMOS電路電路:采用金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor,縮寫為MOSFET) 制造 一、半導(dǎo)體二極管的開關(guān)特性一、半導(dǎo)體二極管的開關(guān)特性 正向?qū)〞r(shí)正向?qū)〞r(shí) U UD(ON) D(O

5、N)0.7V 0.7V R RD D幾幾 幾十幾十 相當(dāng)于相當(dāng)于開關(guān)閉合開關(guān)閉合 二極管的伏安特性曲線二極管的伏安特性曲線 3.2 半導(dǎo)體二極管門電路半導(dǎo)體二極管門電路 反向截止時(shí)反向截止時(shí) 反向飽和電流極小反向飽和電流極小 反向電阻很大（約幾百反向電阻很大（約幾百kk） 相當(dāng)于相當(dāng)于開關(guān)斷開開關(guān)斷開 二極管的伏安特性曲線二極管的伏安特性曲線 3.2 半導(dǎo)體二極管門電路半導(dǎo)體二極管門電路 一、半導(dǎo)體二極管的開關(guān)特性一、半導(dǎo)體二極管的開關(guān)特性 3.2 半導(dǎo)體二極管門電路半導(dǎo)體二極管門電路 3.2 半導(dǎo)體二極管門電路半導(dǎo)體二極管門電路 在低速脈沖電路中，二極管開關(guān)在低速脈沖電路中，二極管開關(guān) 由接

6、通到斷開，或由斷開到接通所由接通到斷開，或由斷開到接通所 需要的轉(zhuǎn)換時(shí)間通常是可以忽略的。需要的轉(zhuǎn)換時(shí)間通常是可以忽略的。 然而在數(shù)字電路中，二極管開關(guān)經(jīng)然而在數(shù)字電路中，二極管開關(guān)經(jīng) 常工作在高速通斷狀態(tài)。由于常工作在高速通斷狀態(tài)。由于PN結(jié)結(jié) 中存儲(chǔ)電荷的存在，二極管開關(guān)狀中存儲(chǔ)電荷的存在，二極管開關(guān)狀 態(tài)的轉(zhuǎn)換不能瞬間完成，需經(jīng)歷一態(tài)的轉(zhuǎn)換不能瞬間完成，需經(jīng)歷一 個(gè)過程。個(gè)過程。 外加電壓突然反向時(shí)，電流的變化情況外加電壓突然反向時(shí)，電流的變化情況 外加電壓突然反向時(shí)，由于外加電壓突然反向時(shí)，由于PN結(jié)中存儲(chǔ)電荷的結(jié)中存儲(chǔ)電荷的 存在，所以有較大的瞬間反向電流。隨著存儲(chǔ)存在，所以有較大的

7、瞬間反向電流。隨著存儲(chǔ) 電荷的消散，反向電流迅速衰減并趨于穩(wěn)態(tài)時(shí)電荷的消散，反向電流迅速衰減并趨于穩(wěn)態(tài)時(shí) 的反向飽和電流。的反向飽和電流。 3.2.2 二極管與門二極管與門 設(shè)設(shè)VCC = 5V 加到加到A,B的的 VIH=3V VIL=0V 二極管導(dǎo)通時(shí)二極管導(dǎo)通時(shí) VDF=0.7V ABY 0V0V0.7V 0V3V0.7V 3V0V0.7V 3V3V3.7V ABY 000 010 100 111 規(guī)定3V以上為1 0.7V以下為0 3.2.3 二極管二極管或或門門 設(shè)設(shè)VCC = 5V 加到加到A,B的的 VIH=3V VIL=0V 二極管導(dǎo)通時(shí)二極管導(dǎo)通時(shí) VDF=0.7V ABY

8、0V0V0V 0V3V2.3V 3V0V2.3V 3V3V2.3V ABY 000 011 101 111 規(guī)定2.3V以上為1 0V以下為0 二極管構(gòu)成的門電路的缺點(diǎn)二極管構(gòu)成的門電路的缺點(diǎn) 電平有偏移 帶負(fù)載能力差 只用于IC內(nèi)部電路 0V 5V +V+V L 5V D DD D 3k （+5V） R CC 2 11 CC R 2 （+5V） 0.7V1.4V 3k 3.5 TTL門電路 P109 3.5 TTL門電路 1. 雙極性三極管的開關(guān)特性（靜態(tài)）雙極性三極管的開關(guān)特性（靜態(tài)）P110 在數(shù)字電路中，三極管作為開關(guān)元件，主要工作在飽和在數(shù)字電路中，三極管作為開關(guān)元件，主要工作在飽和

9、 和截止兩種開關(guān)狀態(tài)，放大區(qū)只是極短暫的過渡狀態(tài)。和截止兩種開關(guān)狀態(tài)，放大區(qū)只是極短暫的過渡狀態(tài)。 雙極型三極管的基本開關(guān)電路雙極型三極管的基本開關(guān)電路 工作狀態(tài)分析：工作狀態(tài)分析： 。近似為截止，則設(shè)001 CBONBEILI iiTVVVV,)( I O V OCBI CBCCCCCCCEO CBC B ONI BBONI V V A ViiV RiVRiVVV Rii R VV iiVV 三極管工作在放大區(qū)所以 。于是得到 流過并有對(duì)應(yīng)的產(chǎn)生有后，上升至當(dāng) , ,)( 2 () (3) 0.1 0.1 IBO CCCO OOLCE sat ViV RVVV VVVV 當(dāng)繼續(xù)上升，繼續(xù)上升

10、，繼續(xù)下降。 當(dāng)上壓降接近于時(shí)，。 三極管工作在深飽和狀態(tài)。 2.動(dòng)態(tài)開關(guān)特性動(dòng)態(tài)開關(guān)特性 3.三極管反相器三極管反相器 三極管的基本開關(guān)電路就是非門 實(shí)際應(yīng)用中，為保證 VI=VIL時(shí)T可靠截止，常在 輸入接入負(fù)壓。 例例3.5.1：計(jì)算參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理：計(jì)算參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理 5V - -8V 3.3K 10K 1K =20 VCE(sat) = 0.1V VIH=5V VIL=0V 例例3.5.1：計(jì)算參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理：計(jì)算參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理 將發(fā)射極外接電路化為等效的VB與RB電路 33 313 8 52 1 21 21 . . ./ I I EEI IB B V VR RR VV VV

11、KRRR 等效變換后的電路如下等效變換后的電路如下 當(dāng) 當(dāng) 又 因此，參數(shù)設(shè)計(jì)合理 VVVViT VVVV CCOHOC BILI 050 0233 313 8 00 ., . . 截止，所以 時(shí)， mA R VV i VV TVVVVV B BEB B BE BIHI 440 70 8133 313 85 55 . . . . 則得： 認(rèn)為如果用折線等效電路， 導(dǎo)通所以時(shí)， VsatVVTii mA R satVVI I I CEOBSB C CECCCS BS BS 1 . 0)(, 25. 0 )( 飽和，故 為：深度飽和時(shí) 電路組成 TTL反相器的基本電路 3.5 TTL門電路 4.

12、TTL反相器（反相器（Transistor-Transistor Logic） 3.5 TTL門電路 當(dāng) 輸 入 低 電 平 時(shí) ，當(dāng) 輸 入 低 電 平 時(shí) ， uI=0.3V，VT1發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，發(fā)射結(jié)導(dǎo)通， uB1=0.3V+0.7V=1V VT2和和VT5均截止，均截止，VT4和和 VD導(dǎo)通。輸出高電平導(dǎo)通。輸出高電平 uO =VCC UBE4-UD-IB4R2 5V-0.7V-0.7V=3.6V 1V 3.6V 0.3V 工作原理工作原理 3.5 TTL門電路 當(dāng)輸入高電平時(shí)，當(dāng)輸入高電平時(shí)， uI=3.6V， VB1=3.6+0.7=4.3V，可以使，可以使T2， T5導(dǎo)通。而導(dǎo)通。

13、而VT1處于倒置工作狀處于倒置工作狀 態(tài)，集電結(jié)正偏，發(fā)射結(jié)反偏，態(tài)，集電結(jié)正偏，發(fā)射結(jié)反偏， uB1=0.7V3=2.1V。VB1電位被鉗電位被鉗 制在制在2.1V。 故故T2工作于只可能是飽和狀態(tài)。工作于只可能是飽和狀態(tài)。 因因VB4=VCES2+VBE5=1V VT4截止。截止。VT5飽和導(dǎo)通，在輸飽和導(dǎo)通，在輸 出電流小于出電流小于IOLmax時(shí)，輸出為低時(shí)，輸出為低 電平電平uO=00.3V。 2.1V 0.3V 3.6V 工作原理工作原理 需要說明的幾個(gè)問題： 故稱倒相級(jí)。變化方向相反和的輸出, 222eC VVT 。帶負(fù)載能力，稱推拉式既能降低功耗又提高了 止?？傆幸粋€(gè)導(dǎo)通、一個(gè)

14、截和輸出級(jí)在穩(wěn)態(tài)下， 54 TT 1 254 T D DTT 抑制負(fù)向干擾脈沖，防止輸入 為負(fù)電壓時(shí) 1射極電流過大。 保證 導(dǎo)通時(shí)可靠地截止。 二、電壓傳輸特性二、電壓傳輸特性 OI I DBERCCOH BI VVTTT VVVBC VVVVVVTTTT VVVVAB 導(dǎo)通，截止，導(dǎo)通且工作在放大區(qū) 段：線性區(qū) 導(dǎo)通截止，導(dǎo)通， 段：截止區(qū) 452 2424521 1 3170 43 3160 , . ., .,. 二、電壓傳輸特性二、電壓傳輸特性 1 254 254 1.4 ,2.1 ,0 , ITHB OOL IO OOL CDVVVVV T TTVV DEVT TTV VV 段：轉(zhuǎn)折

15、區(qū)所以 同時(shí)導(dǎo)通，截止，所以迅速 段：飽和區(qū)繼續(xù)，同時(shí)導(dǎo)通，截止,而不變 三、輸入噪聲容限三、輸入噪聲容限 稱為輸入噪聲容限，允許輸入的變化范圍在輸出變化允許范圍內(nèi) 基本不變；的一定范圍內(nèi)，和偏離在 OILIHI VVVV (max)(max) (min)(min) OLILNL IHOHNH VVV VVV 3.5.3 TTL反相器的輸入特性和輸出特性 1. 輸入伏安特性 輸入電壓和輸入電流之間的關(guān)系曲線。 圖2-11 TTL反相器的輸入伏安特性 （a）測(cè)試電路 （b）輸入伏安特性曲線 兩個(gè)重要參數(shù)：兩個(gè)重要參數(shù)： (1) 輸入短路電流輸入短路電流IIL 當(dāng)當(dāng)uIL = 0.2V時(shí)，時(shí)，iI

16、從輸入端流出。從輸入端流出。 iIL =(VCCUBE1-UIL)/R1 =(50.7-0.2)/4 1mA (2) 高電平輸入電流高電平輸入電流IIH 當(dāng)輸入為高電平時(shí)，當(dāng)輸入為高電平時(shí)，VT1的發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)正偏，的發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)正偏， 處于倒置工作狀態(tài)，處于倒置工作狀態(tài)， IIH很小，約為很小，約為40A左右。左右。 前級(jí)驅(qū)動(dòng)門輸出低電平時(shí)，從負(fù)載門的輸入端流向驅(qū)動(dòng)門前級(jí)驅(qū)動(dòng)門輸出低電平時(shí)，從負(fù)載門的輸入端流向驅(qū)動(dòng)門 的電流的電流I ，稱為，稱為灌電流灌電流。I-1mA 前級(jí)驅(qū)動(dòng)門輸出高電平時(shí)，前級(jí)驅(qū)動(dòng)門輸出高電平時(shí)，流向負(fù)載門的電流流向負(fù)載門的電流I ，稱為，稱為拉拉 電流電流

17、。IIH 0.04mA 2. 輸出特性輸出特性 （1）輸出為高電平的輸出特性 由圖可見，由圖可見，負(fù)載電流負(fù)載電流i iL L=i=iOH OH不可過大，否則輸出高電 不可過大，否則輸出高電 平會(huì)降低。平會(huì)降低。iOH5mA5mA5mA時(shí)，輸時(shí)，輸 出出u uO O變化很大；實(shí)際上由于功耗的限制，變化很大；實(shí)際上由于功耗的限制， i iOH OH遠(yuǎn)小于 遠(yuǎn)小于5mA5mA。 7474系列門電路的運(yùn)用條件規(guī)定系列門電路的運(yùn)用條件規(guī)定 i iOH OH0.4mA 0.4mA。 （2）輸出為低電平時(shí)的輸出特性 T T5 5飽和導(dǎo)通時(shí)飽和導(dǎo)通時(shí)c-ec-e間飽和導(dǎo)通內(nèi)阻很小，飽和壓降很間飽和導(dǎo)通內(nèi)阻很

18、小，飽和壓降很 低，所以負(fù)載電流增加時(shí)輸出低電平僅稍有升高。低，所以負(fù)載電流增加時(shí)輸出低電平僅稍有升高。 i iL L=i=iOL OL16mA 16mA 3.5.3 TTL反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性 例：扇出系數(shù)（Fan-out）， 試計(jì)算門G1能驅(qū)動(dòng)多少個(gè)同樣的門電路負(fù)載。 ）（查得 時(shí)， ）（查得 時(shí)，要求保證 mAiVV VV mAiVV VV OLOL IHI OHOH ILI 1620 4023 . ;. 解:低電平時(shí)： 高電平時(shí)： 綜上，最多可以驅(qū)動(dòng)10個(gè)反相器 1 1 16 N=16 1 ILOL OL IL N ii i i 即 2IH 2

19、IH N I 0.4 10 I0.04 OH OH i i N 即 保證低電平時(shí)前級(jí) 不會(huì)因電流過大燒 壞。 手冊(cè)規(guī)定輸出高電平 時(shí)，最大負(fù)載電流小 于0.4mA 3.5 TTL門電路 TTL反相器的輸入端對(duì)地接上電阻反相器的輸入端對(duì)地接上電阻RI 時(shí)，時(shí)，uI隨隨RI 的的 變化而變化的關(guān)系曲線。變化而變化的關(guān)系曲線。 3. 輸入負(fù)載特性輸入負(fù)載特性 3.5 TTL門電路 在一定范圍內(nèi)，在一定范圍內(nèi)， uI隨隨RI的增大而升高。的增大而升高。 但當(dāng)輸入電壓但當(dāng)輸入電壓uI達(dá)到達(dá)到 1.4V以后，以后，uB1 = 2.1V， RI增大，由于增大，由于uB1不變，不變， 故故uI = 1.4V也

20、不變。也不變。 這時(shí)這時(shí)VT2和和VT4飽和導(dǎo)飽和導(dǎo) 通，輸出為低電平。通，輸出為低電平。 虛框內(nèi)為虛框內(nèi)為TTL反相器的部分內(nèi)部電路反相器的部分內(nèi)部電路 3.5 TTL門電路 RI 不大不小時(shí)，工作在線性區(qū)或轉(zhuǎn)折區(qū)。 RI 較小時(shí)，關(guān)門，輸出高電平； RI 較大時(shí)，開門，輸出低電平； ROFFRON RI 懸空時(shí)？ 3.5 TTL門電路 (1) 關(guān)門電阻關(guān)門電阻ROFF 在保證門電路輸出為額定高電在保證門電路輸出為額定高電 平的條件下，所允許平的條件下，所允許RI 的最大值稱為關(guān)門電阻。典型的的最大值稱為關(guān)門電阻。典型的 TTL門電路門電路ROFF 0.7k。 (2) 開門電阻開門電阻RON

21、 在保證門電路輸出為額定低電平在保證門電路輸出為額定低電平 的條件下，所允許的條件下，所允許RI 的最小值稱為開門電阻。典型的的最小值稱為開門電阻。典型的TTL 門電路門電路RON 2k。 數(shù)字電路中要求輸入負(fù)載電阻數(shù)字電路中要求輸入負(fù)載電阻RI RON或或RI ROFF ，否，否 則輸入信號(hào)將不在高低電平范圍內(nèi)。則輸入信號(hào)將不在高低電平范圍內(nèi)。 振蕩電路則令振蕩電路則令 ROFF RI RON使電路處于轉(zhuǎn)折區(qū)。使電路處于轉(zhuǎn)折區(qū)。 3.5 TTL門電路 3.5.4 TTL反相器的動(dòng)態(tài)特性反相器的動(dòng)態(tài)特性 傳輸延遲時(shí)間傳輸延遲時(shí)間tpd 平均傳輸延遲時(shí)平均傳輸延遲時(shí) 間間tpd表征了門電路表征了

22、門電路 的開關(guān)速度。的開關(guān)速度。 tpd =（ tpHL + tpLH ）/2 3.5 TTL門電路 （1） TTL與非門與非門 4. 其他類型的其他類型的TTL門電路門電路 全全1 輸出輸出0 有有0 輸出輸出1 1V 2.1V 3.5 TTL門電路 每一個(gè)發(fā)射極能各自獨(dú)立形成正向偏置的發(fā)射結(jié)，并每一個(gè)發(fā)射極能各自獨(dú)立形成正向偏置的發(fā)射結(jié)，并 可使三極管進(jìn)入放大或飽和區(qū)?？墒谷龢O管進(jìn)入放大或飽和區(qū)。 多發(fā)射極三極管多發(fā)射極三極管 有有0.3V 鉗位于鉗位于1.0V 全為全為3.6V 集電集電 結(jié)導(dǎo)結(jié)導(dǎo) 通通 (2). 或非或非門門 )(BAY )(BAY OHO OLO VVTTBA VVT

23、TBA 導(dǎo)通截止，才有同為、只有 截止導(dǎo)通，均使任何一個(gè)為、 45 45 0 1 )(CDABY 作業(yè)3.5 在圖由74系列TTL與非門組成的電路中，計(jì) 算GM門能驅(qū)動(dòng)多少同樣的與非門。要求輸出的高 低電平滿足VOH3.2V，VOL0.4V。與非門的輸入 電流為IIL-1.6mA,IIH40A。VOL0.4V時(shí)輸出電 流最大值為IOL(max)=16mA；3.2V時(shí)輸出電流最大 值為IOH(min)= =-0.4mA。GM輸出電阻可忽略不計(jì)。 驅(qū)動(dòng)門輸出是低電平時(shí)， IOLmIIL，m為負(fù)載門的數(shù)目。 驅(qū)動(dòng)門輸出的是高電平時(shí)， IOHnIIH，n為負(fù)載門輸入端的 個(gè)數(shù)。 作業(yè)3.6 在圖由74

24、系列TTL或非門組成的電路中， 計(jì)算GM門能驅(qū)動(dòng)多少同樣的或非門。要求輸出的 高低電平滿足VOH3.2V，VOL0.4V。與非門的輸 入電流為IIL-1.6mA，IIH40A。VOL0.4V時(shí)輸 出電流最大值為IOL(max)=16mA； VOH3.2V時(shí)輸出 電流最大值為IOH(min)= =-0.4mA。GM輸出電阻可 忽略不計(jì)。 驅(qū)動(dòng)門輸出是低電平時(shí)， IOLmIIL，m為負(fù)載門輸入端 的數(shù)目。 驅(qū)動(dòng)門輸出的是高電平時(shí)， IOHnIIH，n為負(fù)載門輸入端的 個(gè)數(shù)。 TTL與非門舉例與非門舉例 74LS0074LS00是一種典型的是一種典型的TTL與非門器件，內(nèi)部含有與非門器件，內(nèi)部含有4

25、 4個(gè)個(gè)2 2輸入輸入 端與非門，共有端與非門，共有1414個(gè)引腳。引腳排列圖如圖所示。個(gè)引腳。引腳排列圖如圖所示。 二、集電極開路的門電路二、集電極開路的門電路 1.推拉式輸出電路結(jié)構(gòu)的局限性 輸出電平不可調(diào) 負(fù)載能力不強(qiáng)，尤其是高電平輸出 輸出端不能并聯(lián)使用 （不能構(gòu)成“線與”結(jié)構(gòu)） OC門（Open Collector） 1 0 一是會(huì)抬高一是會(huì)抬高 門門2 2的低電平，的低電平， 二是會(huì)因功二是會(huì)因功 耗過大損壞耗過大損壞 門電路門電路. . 3.5 TTL門電路 集電極開路門（集電極開路門（OC門）門） 集電極集電極 開路開路 RL不在門電路內(nèi)部，是后加的。RL為上 拉電阻。 3.5

26、 TTL門電路 例：例：用用OC門實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換門實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換 OC門實(shí)現(xiàn)的門實(shí)現(xiàn)的線與線與 )()()( CDABCDABYYY YYYY 21 21 所以 才為高，即為低，只有兩者同高有一個(gè)低，、因?yàn)?上拉電阻計(jì)算中電流方向上拉電阻計(jì)算中電流方向 題題3.7計(jì)算圖中電路上拉電阻RL阻值范圍。其中G1、G2、G3 是74LS系列OC門，輸出管截止時(shí)的漏電流IOH100A，輸出低 電平VOL0.4V時(shí)允許的最大負(fù)載電流ILM=8mA。G4、G5、G6 為74LS系列與非門，它們的輸入電流為IIL-0.4mA、IIH20A。 給定VCC=5V,OC門的輸出高低電平應(yīng)滿足VOH3.2V，VOL0.4

27、V。 1.OC門同時(shí)截止，則讓輸出 VOH大于等于3.2V需要 2.只有一個(gè)導(dǎo)通，即只有一 個(gè)輸出為低電平VOL時(shí)，電流 全部流入導(dǎo)通的OC門 m是輸入端的個(gè)數(shù)；是輸入端的個(gè)數(shù)； m是負(fù)載門的個(gè)數(shù)。是負(fù)載門的個(gè)數(shù)。 () CCIHOHLOH VmInIRV CCOL ILLM L VV m II R 題題3.7計(jì)算圖中電路上拉電阻RL阻值范圍。其中G1、G2、G3 是74LS系列OC門，輸出管截止時(shí)的漏電流IOH100A，輸出低 電平VOL0.4V時(shí)允許的最大負(fù)載電流ILM=8mA。G4、G5、G6 為74LS系列與非門，它們的輸入電流為IIL-0.4mA、IIH20A。 給定VCC=5V,O

28、C門的輸出高低電平應(yīng)滿足VOH3.2V，VOL0.4V。 1.OC門同時(shí)截止，則讓輸出 VOH大于等于3.2V需要 2.只有一個(gè)導(dǎo)通，即只有一 個(gè)輸出為低電平VOL時(shí)，電流 全部流入導(dǎo)通的OC門 (max) CCOH L OHIH VV R nImI (min) CCOL L LMIL VV R Im I m是輸入端的個(gè)數(shù)；是輸入端的個(gè)數(shù)； m是負(fù)載門的個(gè)數(shù)。是負(fù)載門的個(gè)數(shù)。 3.5 TTL門電路 三、三態(tài)門（三、三態(tài)門（TSL） 0 1 截止截止 Y=(AB) EN = 0時(shí)，電路為正常的與非工作狀態(tài)，所以稱時(shí)，電路為正常的與非工作狀態(tài)，所以稱 控制端低電平有效?？刂贫说碗娖接行А?3.5

29、TTL門電路 10導(dǎo)通導(dǎo)通 1.0V 1.0V 截止截止 截止截止 高阻高阻 當(dāng)當(dāng)EN = 1時(shí)，門電路輸出端處于高阻狀態(tài)。時(shí)，門電路輸出端處于高阻狀態(tài)。 3.4 TTL門電路 用用“” 表示輸出表示輸出 為三態(tài)。為三態(tài)。 高電平有效高電平有效 低電平有效低電平有效 三態(tài)門的用途三態(tài)門的用途 1.作為TTL電路與總線間的 接口電路。 當(dāng)EN1=EN2=0，EN3=1， 三態(tài)門G1，G2為高阻態(tài)， 與總線斷開。G3與總線 連接，可傳G3數(shù)據(jù)。 2.數(shù)據(jù)雙向傳輸數(shù)據(jù)雙向傳輸 1.當(dāng)E=1時(shí)，G2為高阻態(tài)，D0 傳送到總線。 2.當(dāng)E=0時(shí)，G1為高阻態(tài)，若 總線上有數(shù)據(jù)DI，則從G2的 輸出端送出

30、DI。 一、高速系列74H/54H （High-Speed TTL） 電路的改進(jìn) (1)輸出級(jí)采用復(fù)合管（減小輸出電阻Ro） (2)減少各電阻值 2. 性能特點(diǎn) 速度提高 的同時(shí)功耗也增加 3.5.6 TTL電路的改進(jìn)系列電路的改進(jìn)系列 （改進(jìn)指標(biāo)：（改進(jìn)指標(biāo)： )()(mwPnstdp pd mWPnst pd 101074,系列：標(biāo)準(zhǔn) 2 1 )(nst pd 倍2)(mwP 二、肖特基系列二、肖特基系列74S/54S（Schottky TTL） 電路改進(jìn) 采用抗飽和三極管 用有源泄放電路代替74H系列中的R3 減小電阻值 2. 性能特點(diǎn) 速度進(jìn)一步提高，電壓傳輸特性沒有線性區(qū)，功耗增大

31、左右至左右，下降到VVVV OLTH 4011. 3.4 TTL門電路 5. TTL系列系列 74 FAM nn 前綴系列助記符功能數(shù)字 74S(Schottky TTL): 肖特基肖特基TTL系列，比普通系列，比普通74系列速系列速 度高，但功耗大。度高，但功耗大。 74LS(Low-power Schottky TTL):低功耗肖特基低功耗肖特基TTL系列，系列， 比普通比普通74系列速度高，功耗只有其系列速度高，功耗只有其1/5。 74AS(Advanced Schottky TTL):改進(jìn)型肖特基改進(jìn)型肖特基TTL系列，系列， 比普通肖特基系列速度高一倍，功耗相同。比普通肖特基系列速度

32、高一倍，功耗相同。 3.4 TTL門電路 74ALS(Advanced Low-power Schottky TTL):改進(jìn)型低改進(jìn)型低 功耗功耗肖特基肖特基TTL系列，比系列，比74LS系列的功耗低、速度快。系列的功耗低、速度快。 74F(Fast TTL): 高速肖特基高速肖特基TTL系列，功耗、速度介于系列，功耗、速度介于 74AS 和和 74ALS 之間。之間。 TTL集成電路多余或暫時(shí)不用的輸入端的處理集成電路多余或暫時(shí)不用的輸入端的處理 （1）多余或暫時(shí)不用的輸入端的一般不懸空，但可）多余或暫時(shí)不用的輸入端的一般不懸空，但可 以懸空；以懸空；懸空時(shí)相當(dāng)于接高電平懸空時(shí)相當(dāng)于接高電平

33、。 （2）與其它輸入端并聯(lián)使用。）與其它輸入端并聯(lián)使用。 （3）將不用的輸入端按照電路功能要求接電源或接）將不用的輸入端按照電路功能要求接電源或接 地。一般，地。一般，接電源時(shí)需接上拉電阻；接地時(shí)需接下拉電接電源時(shí)需接上拉電阻；接地時(shí)需接下拉電 阻。阻。典型值典型值1-10k。 3.3 CMOS門電路門電路 MOS門電路：以門電路：以MOS管作為開關(guān)元件構(gòu)成的門電路。管作為開關(guān)元件構(gòu)成的門電路。 MOS門電路，尤其是門電路，尤其是CMOS門電路具有制造工藝簡單、門電路具有制造工藝簡單、 集成度高、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，得集成度高、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，得 到了十

34、分迅速的發(fā)展。到了十分迅速的發(fā)展。 MOS管有管有NMOS管和管和PMOS管兩種。當(dāng)管兩種。當(dāng)NMOS管和管和 PMOS管成對(duì)出現(xiàn)在電路中，且二者在工作中互補(bǔ)，稱為管成對(duì)出現(xiàn)在電路中，且二者在工作中互補(bǔ)，稱為 CMOS管管(意為互補(bǔ)意為互補(bǔ))。MOS管有增強(qiáng)型和耗盡型兩種。在管有增強(qiáng)型和耗盡型兩種。在 數(shù)字電路中，多采用增強(qiáng)型。數(shù)字電路中，多采用增強(qiáng)型。 3.3.1MOS管的開關(guān)特性 一、MOS管的結(jié)構(gòu) S (Source)：源極 G (Gate)：柵極 D (Drain)：漏極 B (Substrate):襯底 金屬層 氧化物層 半導(dǎo)體層 PN結(jié) 3.3 CMOS門電路門電路 開啟電壓 二、

35、二、MOS管的輸入和輸出特性管的輸入和輸出特性 1.輸入特性 柵極和襯底間被二氧化硅絕緣層隔離，在柵極和 源極之間加上電壓后，不會(huì)有柵極電流流通， 可以認(rèn)為柵極電流ig為0. 2. 輸出特性 截止區(qū)：VGS 109 恒流區(qū)： iD 基本上由VGS決定 可變電阻區(qū)：當(dāng)VDS 較低， VGS 一定時(shí)， 這個(gè)電阻受VGS 控制、可變。 常常數(shù)數(shù)（電電阻阻） DDS iV （虛線左邊，每一個(gè)斜線的斜率）（虛線左邊，每一個(gè)斜線的斜率） 三、三、MOS管的開關(guān)特性管的開關(guān)特性 （1）NMOS管的開關(guān)特性管的開關(guān)特性 Vgs=0 Rds 106 () I 10-6 (A) 0 Vgs Vgs(th) Rds

36、 10 () RL VRds 0 控制的開關(guān)。間相當(dāng)于一個(gè)受管所以 導(dǎo)通當(dāng) 截止當(dāng) I OLOGSIHI DDOHOGSILI VSDMOS VVTthVVV VVVTthVVV 0)( )( 說明：說明： 隨著VGS的升高，導(dǎo)電溝道的截面積也增大，iD增 加。即可以通過改變VGS控制iD的大小，因此稱 為電壓控制電壓控制。 開關(guān)指的是D-S之間的開關(guān) 上述MOS管，導(dǎo)電溝道屬于N型，且在足夠高的 柵極電壓才有導(dǎo)電溝道形成，稱為N溝道增強(qiáng) 型MOS管。 四、等效電路四、等效電路 OFF ，截止?fàn)顟B(tài) ON，導(dǎo)通狀態(tài) 3.3.2 CMOS反相器反相器 一、電路結(jié)構(gòu) PthGSNthGSPthGSN

37、thGSDD VVVVV )()()()( ,且 DDOH NthGSGS PthGSDDGS ILI VV Vv VVv Vv 輸出高電平，且 截止故 導(dǎo)通故 時(shí)，有 2)(2 1)(1 T0 T 0 0 T T0 2)(2 1)(1 OL NthGSDDGS PthGSGS DDOHI V VVv Vv VVv 且 導(dǎo)通故 截止故 時(shí)，有 T1和和T2總是一管導(dǎo)通而另一管截止，因而總是一管導(dǎo)通而另一管截止，因而CMOS反相器的靜反相器的靜 態(tài)功耗極小。這是態(tài)功耗極小。這是CMOS電路最突出的優(yōu)點(diǎn)之一。電路最突出的優(yōu)點(diǎn)之一。 3.3 CMOS門電路門電路 VI T1 T2VOUT 0.0(L

38、) on off 5.0(H) VDD=+5.0V VI=LVOUT=H VDD=+5.0V VI=HVOUT=L 5.0(H) off on 0.0(L) 拉電流拉電流IOH 灌電流灌電流IOL 二、電壓、電流傳輸特性二、電壓、電流傳輸特性 DDODDI PTHGSDDINTHGS OLO PTHGSDDI DDOHO NTHGSI VVVVTT TT VVVVBC VVTT VVVCD VVVTT VVAB 2 1 2 1 0 21 21 12 21 時(shí)，參數(shù)完全對(duì)稱，若 同時(shí)導(dǎo)通 段： 截止導(dǎo)通， 段： 截止導(dǎo)通， 段： , , )()( )( )( BC段：轉(zhuǎn)折區(qū)段：轉(zhuǎn)折區(qū) 閾值電壓閾

39、值電壓UTHVDD/2 轉(zhuǎn)折區(qū)中點(diǎn)：電流最大轉(zhuǎn)折區(qū)中點(diǎn)：電流最大 CMOS反相器反相器 在使用時(shí)應(yīng)盡在使用時(shí)應(yīng)盡 量避免長期工量避免長期工 作在作在BC段。段。 三、輸入噪聲容限三、輸入噪聲容限 稱為輸入噪聲容限，允許輸入的變化范圍在輸出變化允許范圍內(nèi) 基本不變；的一定范圍內(nèi)，和偏離在 OILIHI VVVV (max)(max) (min)(min) OLILNL IHOHNH VVV VVV 結(jié)論：可以通過提高VDD來提高噪聲容限 3.3 CMOS門電路門電路 扇出系數(shù)扇出系數(shù) v 總的扇出系數(shù)是高、低電平狀態(tài)下扇出系數(shù)中較小總的扇出系數(shù)是高、低電平狀態(tài)下扇出系數(shù)中較小 的一個(gè)。的一個(gè)。

40、邏輯門所能夠驅(qū)動(dòng)同類門（輸入端）的個(gè)數(shù)。邏輯門所能夠驅(qū)動(dòng)同類門（輸入端）的個(gè)數(shù)。 (load)I (drive)I N IL OLmax OL (load)I (drive)I N IH OHmax OH )( OHOLO N,NminN v IOLmax: 保證輸出不高于保證輸出不高于VOLmax的低電平最大灌電流。的低電平最大灌電流。 v IOHmax:保證輸出不低于保證輸出不低于VOHmin的高電平最大拉電流。的高電平最大拉電流。 3.3 CMOS門電路 v與非門與非門 5. 其它類型的其它類型的CMOS門電路門電路 ABT2T1T4T3Y L L H H L H L H off off

41、 on on on on off off off on off on on off on off H H H L ()YAB ABY 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 v或非門或非門 ABT2T1T4T3Y L L H H L H L H off off on on on on off off off on off on on off on off H L L L ()YAB ABY 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 帶緩沖極的帶緩沖極的CMOS門門 1、與非門 24 13 1 3 (1): 1,12 1 0,0/ 2 0,1 1,0 (2) O OONONON O

42、ONONON OONON OONON OLOH R ABRRRR ABRRRR ABRRR ABRRR VV 存在的缺點(diǎn)： 輸出電阻受輸入狀態(tài)影響 則 則 則 則 輸出的高低電平受輸入端數(shù)目的影響 輸入端越多，越高，也更高 帶緩沖極的帶緩沖極的CMOS門門 2.解決方法 A 與非門緩沖器或非門 B ()AB ()AB 與非門與非門+緩沖級(jí)緩沖級(jí) 二、漏極開路的門電路（二、漏極開路的門電路（OD門）門） (a) 1. 2.,() LDDDDDD R VVV 可將輸出并聯(lián)使用，實(shí)現(xiàn)線與 或用作電平轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)器 使用時(shí)允許外接可以不等于 三、三態(tài)輸出門三、三態(tài)輸出門 )(高阻時(shí)， 時(shí)， ZYNE A

43、YNE 1 0 3.3 CMOS門電路 v 傳輸門傳輸門 若若 C =1（接（接VDD )、 C =0（接地），當(dāng)（接地），當(dāng) uI =1時(shí)，時(shí)，VTN導(dǎo)通；導(dǎo)通； uI =0 時(shí)，時(shí)，VTP導(dǎo)通；導(dǎo)通； 所以所以VTP和和VTN至少至少 有一管導(dǎo)通，使傳有一管導(dǎo)通，使傳 輸門輸門TG導(dǎo)通。導(dǎo)通。 由于由于VTP和和VTN在結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu) 上對(duì)稱，所以圖中的輸入上對(duì)稱，所以圖中的輸入 和輸出端可以互換，又稱和輸出端可以互換，又稱 雙向開關(guān)。雙向開關(guān)。 若若 C =0（接（接VDD )、 C =1（接地），（接地），VTP 和和VTN都截止，使傳都截止，使傳 輸門輸門TG截止。截止。 3.3 CMO

44、S門電路 （3）應(yīng)用舉例）應(yīng)用舉例 CMOS模擬開關(guān)：實(shí)現(xiàn)單刀雙擲開關(guān)的功能。模擬開關(guān)：實(shí)現(xiàn)單刀雙擲開關(guān)的功能。 C = 0時(shí)，時(shí)，TG1導(dǎo)通、導(dǎo)通、TG2截止，截止，uO = uI1； C = 1時(shí)，時(shí)，TG1截止、截止、TG2導(dǎo)通，導(dǎo)通，uO = uI2。 3.3 CMOS門電路 CMOS三態(tài)門三態(tài)門 當(dāng)當(dāng)EN= 0時(shí)，時(shí)，TG導(dǎo)通，導(dǎo)通，F(xiàn)=A； 當(dāng)當(dāng)EN=1時(shí)，時(shí)，TG截止，截止，F(xiàn)為高阻輸出。為高阻輸出。 3.3 CMOS門電路 6. CMOS電路的優(yōu)點(diǎn)電路的優(yōu)點(diǎn) （1）微功耗。）微功耗。 CMOS電路靜態(tài)電流很小，約為納安數(shù)量級(jí)。電路靜態(tài)電流很小，約為納安數(shù)量級(jí)。 （2）抗干擾能力

45、很強(qiáng)。）抗干擾能力很強(qiáng)。 輸入噪聲容限可達(dá)到輸入噪聲容限可達(dá)到VDD/2。 （3）電源電壓范圍寬。）電源電壓范圍寬。 多數(shù)多數(shù)CMOS電路可在電路可在318V的電源電壓范圍內(nèi)正常的電源電壓范圍內(nèi)正常 工作。工作。 （4）輸入阻抗高。）輸入阻抗高。 （5）負(fù)載能力強(qiáng)。）負(fù)載能力強(qiáng)。 CMOS電路可以帶電路可以帶50個(gè)同類門以上。個(gè)同類門以上。 （6）邏輯擺幅大。（低電平）邏輯擺幅大。（低電平0V，高電平，高電平VDD ） 3.3 CMOS門電路 7. CMOS系列及命名方法系列及命名方法 74 FAM nn 前綴系列助記符功能數(shù)字 最早的商用最早的商用 CMOS集成電路為集成電路為 4000系列，現(xiàn)以下列方系列，現(xiàn)以下列方 法命名：法命名： 前綴：前綴：74商用系列；商用系列；54軍用系列。軍用系列。 助記符：以字母表示系列類型。助記符：以字母表示系列類型。 功能數(shù)字：以數(shù)字表示電路的邏輯功能。功能數(shù)字：以數(shù)字表示電路的邏輯功能。 3.3 CMOS門電路 助記符：助記符： HC（ High-speed CMOS ，高速，高速CMOS 系列）；系列）； 例：例：74HC04-商用高速商用高速CMOS 六反相器；六反相器； 74HCT00-商用高速商用高速CMOS 四四-二輸入與非門。二輸入與非門。 HCT（High-speed CMOS, TT